ИХ ПРОШЛОЕ

Изучением Вселенной как единой совокупности космической материи наряду с изучением происхождения звезд и галактик занимается очень увлекательная область современной астрономии - космология.

Первым фактом, который потребовал серьезного космологического объяснения, был так называемый парадокс Ольберса.

Немецкий астроном Генрих Ольберс в начале XIX в. задумался над тем, почему ночное небо выглядит для земного наблюдателя темным. Действительно, почему?

Чем дальше находятся от нас звезды, тем меньше их видимая на небе яркость. Яркость звезд, как и любых других источников света, ослабевает пропорционально квадрату расстояния. Однако, если считать звезды распределенными в пространстве равномерно, суммарное число звезд, находящихся на заданном от нас расстоянии, возрастает пропорционально квадрату расстояния. В итоге получается, что ослабление суммарной яркости звезд из-за их удаленности должно совершенно строго компенсироваться возрастанием их численности. И все ночное небо в этом случае должно выглядеть для нас сплошь светящимся: сплошь покрытым расположенными вплотную друг к Другу дисками звезд.

Парадокс Ольберса. Считаем для простоты, что все звезды имеют одинаковую яркость и распределены в пространстве равномерно. В этом случае число звезд в тонком сферическом слое радиуса R (слой А) оказывается пропорциональным его. поверхности, т. е. пропорциональным R2. Пусть суммарная яркость звезд слоя А на рассматриваемом участке неба составляет величину L. Наблюдаемая с Земли яркость каждой звезды в произвольном тонком слое Б, удаленном на расстояние kR, уменьшится по сравнению со слоем А в k2 раз. Однако их количество, приходящееся в слое Б на тот же участок неба, по сравнению со слоем Л, возрастет в k2 раз. Таким образом, суммарная яркость звезд произвольного слоя Б на рассматриваемом участке неба также составит величину L. Вывод, который следует из этого теоретического рассуждения: поскольку с удалением от Земли суммарная яркость звезд из каждого последующего более далекого слоя не ослабевает, то все ночное небо для земного наблюдателя должно выглядеть сплошь покрытым звездами, примыкающими вплотную одна к другой. Однако на практике, как хорошо известно, этого не наблюдается

Этого, однако, как всем хорошо известно, не наблюдается, И либо звезды в масштабах Вселенной распределены далеко неравномерно, либо существуют какие-то физические причины, которые дополнительно ослабляют поток света от удаленных объектов.

Парадокс Ольберса служит тем наблюдательным фактом, который требует объяснения в любой космологической теории.

Значительный толчок развитию космологических идей дало открытие красного смещения.

Лето, Каникулы. Школьники стоят на платформе дачного поселка. Приближаясь к платформе, поезд дальнего следования дает звуковой сигнал. Звук сирены кажется высоким, почти пронзительным. Но вот состав поравнялся с платформой и начинает удаляться. Характер звука резко меняется: теперь сирена локомотива звучит на низких тонах, басовито.

Теоретически подобный эффект предсказали в середине прошлого века австриец Христиан Допплер и француз Ипполит Физо. Эффект Допплера - Физо состоит в том, что при взаимном движении наблюдателя к источника волнового излучения по направлению друг к другу наблюдатель фиксирует кажущееся изменение длины волны.

Звук - волновые колебания воздуха. Если наблюдатель и источник звука сближаются, то происходит кажущееся сокращение длин волн: звук становится более высоким. Если же звук слышится более низким, нежели на самом деле, то наблюдатель и источник звука удаляются один от другого. По величине смещения высоты тона, т. е. частоты колебаний, по сравнению с высотой звука от неподвижной сирены можно оценивать скорость движения поезда.

Сказанное справедливо и для звезд. Видимый свет, идущий от звезд, представляет собой электромагнитные волны. По изменению длины электромагнитной волны можно измерять скорость движения звезд по отношению к Земле: по лучу зрения на Землю или от Земли. Такая скорость называется лучевой.

Впервые многочисленные высокоточные измерения лучевых скоростей звезд выполнил замечательный русский астроном А. А. Белопольский. Тем же методом уже в XX в. были измерены лучевые скорости многих галактик. И тут обнаружилось нечто необыкновенное: почти все наблюдающиеся на небе чужие галактики удаляются от Земли. В спектрах галактик описанное явление выражается смещением всех линий к красному концу: поэтому оно получило название красного смещения.

В дальнейшем выяснилось, что величины лучевых скоростей удаления галактик согласуются с их расстояниями. Взаимосвязь оказалась настолько четкой, что лучевые скорости стали даже использоваться как своеобразный индикатор расстояний: чем больше скорость удаления галактики, тем дальше она расположена от нас во Вселенной.

Не правда ли, в высшей степени странная картина? Уж не в центре ли Вселенной находится наша Галактика? Почему все остальные галактики удаляются от нас? Или, может быть, подобное явление только кажущееся? Может быть, оно возникает вследствие каких-либо неучтенных физических эффектов, например, вследствие изменения длин волн приходящего к нам издалека света в результате рассеяния его на частицах межпланетной материи?

Космология дала ответы на эти вопросы в теории Большого Взрыва. Теория Большого Взрыва предполагает, что все галактики, в том числе и наша Галактика, действительно удаляются друг от друга. И их удаление действительно происходит с различными скоростями. Чем больше расстояние между галактиками, тем выше оказывается скорость их взаимного удаления.

Чтобы лучше уяснить себе эту картину, рассмотрим упрощенную геометрическую схему. Выберем совершенно произвольную точку О в качестве центральной «точки разлета». Пусть наша Галактика находится где-то в средней области. Существуют многочисленные галактики, которые находятся ближе к точке разлета, чем наша Галактика. Мы летим от центра быстрее, чем они, т. е. расстояние между нами растет и приборы фиксируют удаление этих галактик от нас. Другие же галактики, те, которые расположены дальше от точки разлета, чем наша, в свою очередь также летят от центра быстрее нас. Значит, и в этом случае наши приборы тоже регистрируют их удаление.

Однако приведенное рассуждение не более чем простейшая схема. Согласно теории относительности никакой центральной «точки разлета» принципиально существовать не может. Произвольно выбранную нами центральную точку О можно поместить в любое место пространства, и при этом вся описанная картина взаимного удаления галактик должна полностью сохраниться.

Такой вывод теории относительности получен чисто математическим путем, и его невозможно осознать наглядно, так же как невозможно наглядно объяснить постоянство скорости света вне зависимости от движения системы отсчета. Здесь вновь, как и прежде, остается довольствоваться только упрощенными примерами.

Лучевая скорость удаления галактик, регистрируемая нашими приборами, прямо пропорциональна расстоянию до них

Мы в силах построить модель описанного выше «разбегания» галактик, если не будем рассматривать реальное бесконечное пространство трех измерений, а ограничимся в своей модели лишь поверхностью - пространством двух измерений. Представим себе, что «вся Вселенная» расположена на некоторой замкнутой поверхности, которая подобна поверхности постоянно раздуваемого резинового шара. Пусть галактики в нашей модели изображаются точками, нанесенными на поверхности этого шара. По мере его раздувания все расстояния между Галактиками», измеренные по поверхности шара, действительно будут систематически увеличиваться, причем скорость разбегания «галактик» окажется тем больше, чем больше было первоначальное расстояние между ними.

Теория Большого Взрыва утверждает, что возраст Вселенной достигает примерно 10 млрд. лет. Та же цифра получается, кстати, и из многих других соображений. Тогда, около 10 млрд, лет назад, в течение одного мгновения вся материя Вселенной была сосредоточена в одном месте в виде различных элементарных частиц. Не надо думать, что вокруг этой невообразимой «кипящей» массы, из которой предстояло возникнуть всем звездам и галактикам, было пустое пространство. Нет, пространство не существует вне материи, и все пространство Вселенной было тогда заключено в пределах той же первоначальной области.

Аналогией дальнейших событий может служить колоссальный взрыв.

Взрыв привел к расширению материи и пространства, сопровождающемуся охлаждением. В процессе охлаждения нейтроны, протоны и электроны объединялись в атомы всех известных ныне химических элементов, образовывали звезды и галактики.

Таким образом, история звезд и галактик рисуется как история поведения материи, образующей Вселенную.

Наблюдаемое красное смещение согласно теории Большого Взрыва - это результат действительного разлетания галактик, продолжающегося с момента их возникновения.

Теория Большого Взрыва в основном объясняет известные наблюдательные факты. Но и она сталкивается с трудностями. Главная из трудностей состоит в исследовании первичного состояния Вселенной - того совершенно особого момента в ее развитии, после которого начался этап наблюдаемого ныне расширения.

Не все космологи разделяют уверенность в справедливости теории Большого Взрыва. Среди них есть приверженцы и других концепций.

Действительно ли Вселенная расширяется или процесс расширения свойствен только наблюдаемой нами области Вселенной? Будет ли расширение продолжаться неопределенно долго или Вселенной свойственна пульсация: сейчас она расширяется, а впоследствии - через многие миллиарды лет - расширение сменится сжатием?

Вселенная не имеет никаких границ. Она безгранична. Но бесконечна ли она?

Вернемся еще раз к нашему примеру с пространством двух измерений. Вообразим на минуту фантастических двумерных существ, которые не знают и не воспринимают третьего измерения пространства. Для таких плоских существ, обитающих только в двух измерениях, поверхность любого шара, например Земли, не имела бы никаких границ - она представлялась бы им безграничной. Однако на деле, в трех пространственных измерениях, Земля вовсе не бесконечна, хотя, двигаясь только по ее поверхности, можно бесчисленное количество раз проходить одну и ту же точку, но никогда не достигнуть «границ» Земли. Следовательно, наши двумерные существа в итоге изучения своего мира могли бы с удивлением обнаружить, что хотя он и безграничен, но вовсе не бесконечен.

Не может ли Вселенная в четырех измерениях - в трехмерном пространстве плюс время - также быть безграничной, но не бесконечной? Быть может, сам по себе вопрос о бесконечности Вселенной является, как выражаются математики, некорректным и вообще не имеет ответа?

История мировой науки хранит поучительный опыт того, как на протяжении тысячелетий математики тщетно искали доказательств истинности пятого постулата Евклида. Однако доказательств того, что через одну точку можно провести только одну прямую, параллельную данной, так и не нашлось. Больше того, великий русский математик Н. И. Лобачевский доказал непротиворечивость геометрии, в которой через одну точку можно провести сколько угодно прямых, параллельных данной.

Дальше - больше. Немецкий математик Г. Риман разработал геометрию, в которой .через заданную точку нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной. И оказалось, что все три геометрии имеют полное право на существование.

Не обстоит ли подобным же образом дело и с понятием о бесконечности Вселенной? Не зависит ли ответ на этот вопрос от субъективно сформулированных нами условий решения задачи, а вовсе не от объективных свойств Вселенной?

Как видим, космология занимается очень важными проблемами, находящимися на стыке астрономии, физики и философии. Фундаментом космологических исследований является совокупность основных физических теорий, таких, как квантовая механика, специальная теория относительности и общая теория относительности. Направляющую роль при выполнении космологических исследований играют взятые за исходные методические философские принципы. Наконец, наблюдательная астрономия является источником тех фактических данных о Вселенной, которые нуждаются в космологическом истолковании и служат для проверки правильности любой космологической теории. К сожалению, решение космологических проблем еще очень осложнено недостаточным количеством исходного наблюдательного материала. Недаром существует образное выражение, что космология «рисует самые грандиозные картины самыми разбавленными красками». Однако каждое новое открытие астрономов-наблюдателей может внести исключительно важный вклад в развитие космологических представлений о происхождении и эволюции Вселенной.

В пятидесятые годы нашего века повышенный интерес астрономов привлекли едва различимые даже в крупные телескопы бледные, слегка размытые голубоватые пятна. Они настолько слабы, что никак не выделяются среди миллиардов других очень слабых звездочек. Но зато радиоизлучение от них намного превосходит поток радиоволн от обычных звезд. «Шумных» радиоисточников насчитывается на небе немного - всего несколько десятков. Их полное название - квазизвездные источники радиоизлучения.

Латинское слово «квази» в научных терминах означает «как бы, подобный чему-либо»: «квазизвезда» - «как бы звезда», «звездоподобный объект». Слово «звезда» по-английски произносится «стар». От слов «квази» и «стар» появилось сокращение квазар. Под таким кратким именем необычные радио-источника и вошли в научную литературу.

Поначалу предполагали, что квазары расположены сравнительно недалеко: где-то на окраине нашей собственной Галактики. Уж очень мощным было их радиоизлучение. Но вот в 1963 г. удалось начать изучение квазаров с помощью крупнейшего тогда в мире 5-метрового телескопа. Результат был ошеломляющим. Красное смещение у квазаров достигает невообразимой величины. Они удаляются от нашей Галактики со скоростями, близкими к скорости света. Самый стремительный из них имеет скорость в 4/з скорости света! Расстояние до этого квазара в соответствии с его красным смещением должно составлять 9 млрд. световых лет. Такая величина чудовищна даже для видавших виды астрономов!

Попутно с квазарами обнаружился и еще один класс удивительных объектов - голубые звездообразные галактики. По всем признакам, за исключением радиоизлучения, они напоминают квазары: тот же внешний вид, те же чудовищные скорости разлета, те же фантастические удаления. Но они совершенно не слышны в радиодиапазоне. Звездообразные галактики в сотни раз многочисленнее квазаров.

Что же это за образования? Каковы те невообразимые источники энергии, по сравнению с которыми даже взрывы сверхновых звезд выглядят новогодними хлопушками? Какую роль играют эти «ископаемые чудовища» в развитии Вселенной?

В качестве основного неиссякаемого источника энергии во Вселенной, мощность которого в масштабах галактик может в миллионы раз превосходить мощность всех других известных источников энергии, вместе взятых, астрономы-теоретики в наши дни все чаще называют гравитацию. Именно в силах, возникающих вследствие взаимного притяжения огромных масс, они склонны видеть «главную пружину Вселенной». Быть может, красное смещение квазаров и других подобных объектов вызвано не гигантскими скоростями их удаления, а действием небывало мощных гравитационных полей? Но это свидетельствовало бы о существовании таких невиданно плотных небесных тел, которые не укладываются ни в одну из существующих теорий.

Ответов на поставленные вопросы пока нет. Мы вышли на «линию огня» современной астрономической науки, на ее передний край, где не прекращается борьба идей, где постоянно идут активные «боевые действия».

Астрономы-теоретики ждут для своих обобщений новых наблюдательных данных. И самую большую услугу в этом им может оказать молодая, быстро развивающаяся область наблюдательной астрономии - радиоастрономия.